1 控制系统的基本概念

1控制系统的基本概念控制系统的工作原理及其组成控制系统的基本类型控制系统的基本要求控制工程发展概况本章要求掌握控制系统的工作原理、开环控制与闭环控制的概念。掌握反馈控制系统的基本组成、自动控制系统的基本类型及控制系统的基本要求。1.1控制系统的工作原理及其组成控制系统的工作原理开环控制与闭环控制闭环控制系统的组成1.1.1控制系统工作原理控制系统案例控制系统工作原理1.1.1.1控制系统案例—人工控制恒温系统加热电阻丝~220V调压器人工控制的恒温箱温度计1.1.1.1控制系统案例—人工控制恒温系统人工控制恒温箱调节过程观测恒温箱内的温度（被控制量）与要求的温度（给定值）进行比较，得到温度偏差的大小和方向根据偏差大小和方向调节调压器，控制加热电阻丝的电流以调节温度回复到要求值。人工控制过程的实质检测偏差再纠正偏差1.1.1.1控制系统案例—人工控制恒温系统大脑手调压器恒温箱眼睛实际温度期望温度人工控制恒温箱系统功能框图温度计1.1.1.1控制系统案例—自动控制恒温系统加热电阻丝~220V调压器热电偶给定信号比较电压放大器功率放大器执行电动机减速器u2u1++u自动控制恒温系统1.1.1.1控制系统案例—自动控制恒温系统自动控制恒温系统工作过程恒温箱实际温度由热电偶转换为对应的电压u2。恒温箱期望温度由电压u1给定，并与实际温度u2比较得到温度偏差信号u＝u1u2。温度偏差信号经电压、功率放大后，用以驱动执行电动机，并通过传动机构拖动调压器动触头。当温度偏高时，动触头向减小电流的方向运动，反之加大电流，直到温度达到给定值为止，此时，偏差u＝0，电机停止转动。1.1.1.1控制系统案例—自动控制恒温系统给定信号电压功率放大器控制电机减速器调压器恒温箱(控制对象)热电偶u1u2uuanvu温度t(被控量)扰动自动控制恒温系统功能框图1.1.1.2控制系统工作原理案例共同特点检测偏差，并用检测到的偏差纠正偏差。没有偏差就没有调节过程。在自动控制系统中，偏差是通过反馈建立起来的。1.1.1.2控制系统工作原理基本概念输入量：控制系统中的给定量。输出量：控制系统中的被控制量。反馈：输出量通过适当的测量装置将信号全部或者部分返回输入端，使之与输入量进行比较。偏差：返回输入端的输出量与输入量进行比较的结果。1.1.1.2控制系统工作原理控制系统工作原理检测输出量（被控制量）的实际值；将输出量的实际值与给定值（输入量）进行比较得出偏差；用偏差值产生控制调节作用去消除偏差，使得输出量维持期望的输出。1.1.1.2控制系统工作原理反馈控制由于存在输出量反馈，上述系统能在存在无法预计扰动的情况下，自动减少系统的输出量与参考输入量（或者任意变化的希望的状态）之间的偏差，故称之为反馈控制。反馈控制建立在偏差基础上，其控制方式是“检测偏差并纠正偏差”。1.1.1.2控制系统工作原理反馈控制系统基于反馈控制原理，能对输出量与参考输入量进行比较，并力图保持两者之间既定关系的系统，称为反馈控制系统。反馈控制系统具备测量、比较和执行三个基本功能。注意：反馈控制系统中，反馈信号与给定信号相减，使偏差越来越小，称为负反馈。负反馈控制是实现自动控制最基本的方法。1.1.1.2控制系统工作原理自动控制系统工作原理实现自动控制的装置各不相同，但是反馈控制的原理确是相同的。因此可以说反馈控制是实现自动控制最基本的方法。反馈控制原理就是自动控制系统的工作原理。1.1.2开环控制与闭环控制实际的控制系统根据有无反馈作用可分为三类开环控制系统如伺服步进的数控机床、普通洗衣机、家用电烤箱、微波炉等。闭环控制系统如伺服驱动的数控机床、恒温箱（冰箱、空调）等。半闭环控制系统1.1.2开环控制与闭环控制开环控制系统系统仅受输入量和扰动量控制；输出端和输入端之间不存在反馈回路；输出量在整个控制过程中对系统的控制不产生任何影响。输入装置指令系统输入控制装置步进驱动装置工作台工作台位置系统输出步进驱动数控机床的开环控制系统框图1.1.2开环控制与闭环控制开环控制系统优点简单、稳定、可靠。若组成系统的元件特性和参数值比较稳定，且外界干扰较小，开环控制能够保持一定的精度。缺点精度通常较低、无自动纠偏能力。控制器对象或过程输入量输出量开环控制系统框图1.1.2开环控制与闭环控制闭环控制系统输出端和输入端之间存在反馈回路，输出量对控制过程有直接影响。闭环的作用：应用反馈，减少偏差。优点精度高，对外部扰动和系统参数变化不敏感缺点存在稳定、振荡、超调等问题，系统性能分析和设计麻烦。1.1.2开环控制与闭环控制闭环控制系统控制器对象或过程输入量输出量测量元件闭环控制系统框图反馈量1.1.2开环控制与闭环控制半闭环控制系统反馈信号通过系统内部的中间信号获得。特点半闭环控制系统的控制精度比开环控制系统高，比闭环控制系统低；半闭环控制系统的稳定性比闭环控制系统高。1.1.3闭环控制系统的组成给定元件+串联校正元件放大变换元件执行元件控制对象_+_并联校正元件局部反馈反馈元件主反馈控制部分比较元件比较元件输入信号xi偏差信号e主反馈信号xb扰动信号输出xo闭环控制系统的组成1.1.3闭环控制系统的组成给定元件：用于产生给定信号或者输入信号的元件。如调速系统的给定电位计。反馈元件：测量被控量或者输出量的元件，产生主反馈信号，该信号与输出量存在着确定的函数关系。如调速系统的测速发电机。为便于传输，反馈信号通常为电信号。在机械、液压、气动、机电等系统中存在着内在反馈，这种反馈无须专门的反馈元件，是系统内部各参数相互作用产生的，如作用力与反作用力之间形成的直接反馈。1.1.3闭环控制系统的组成比较元件：比较输入信号和反馈信号之间偏差的元件，有时也叫比较环节。放大元件：对偏差信号进行放大或者功率放大的元件。如伺服功率放大器、电液伺服阀等。执行元件：对控制对象进行操作的元件。如执行电动机。控制对象：控制系统所要操作的对象，它的输出量即为系统的被控制量。如机床工作台。校正元件：用以稳定控制系统，提高控制性能。1.1.3闭环控制系统的组成控制器控制系统中比较元件、放大元件、执行元件和反馈元件等共同起控制作用，统称为控制器。实际的控制系统中，扰动总是不可避免的，扰动分为内部扰动和外部扰动，但在控制系统中，扰动集中表现在控制量与被控量的偏差上，因此，可以将控制系统的扰动等效为对控制对象的干扰。1.2控制系统的基本类型按输入量的特征分恒值调节系统：给定量是恒定的控制系统。分析的重点在于克服扰动对输出量的影响。程序控制系统：当输入量为已知给定的时间函数时，称为程序控制系统。随动系统：系统的给定量是时间的未知函数，即给定量的变化规律事先无法确定，要求输出量能够准确、快速地复现给定量，这样的系统称为随动系统。1.2控制系统的基本类型按系统中传递信号的性质分连续控制系统：系统中的各个参量的变化都是连续进行的系统。又可分为线性系统和非线性系统。线性系统：系统的动态特性可以用线性微分方程描述的系统。非线性系统：系统的动态特性要求精确分析，应用非线性理论描述的系统。离散控制系统（数字控制系统）：控制系统的给定量、反馈量、偏差量都是数字量，数值上不连续，时间上也是离散的。1.2控制系统的基本类型按系统组成元件的物理性质分机械控制系统电气控制系统液压控制系统……按微分方程的系数与时间有无关系分定常系统：用常系数微分方程描述的系统。时变系统：系统的微分方程的系数是时间的函数时，系统称为时变系统。1.3控制系统的基本要求稳定性指系统动态过程的振荡倾向和系统能否恢复平衡状态的能力。稳定的系统当输出量偏离平衡状态时，其输出能随时间的增长收敛并回到初始平衡状态。稳定性要求是系统工作的首要条件。控制系统稳定性由系统结构所决定，与外界因素无关。稳定性由控制系统内部储能元件的能量不可能突变所产生的惯性滞后作用所导致。1.3控制系统的基本要求准确性指在调整过程结束后输出量和输入量之间的偏差，或称为静态精度。准确性是衡量系统工作性能的重要指标。准确性控制精度，以稳态误差来衡量。快速性该要求是在系统稳定的前提下提出来的。快速性是指当系统输出量与给定量之间产生偏差时，消除这种偏差过程的快速程度。快速性表征系统的动态性能。1.3控制系统的基本要求控制系统的基本要求在系统稳定的前提下，系统要稳、准、快。注意：不同性质的控制系统，对稳定性、精确性和快速性要求各有侧重。系统的稳定性、精确性、快速性相互制约，应根据实际需求合理选择。1.4控制工程发展概况1765年，蒸汽机的发明引发了工程界对系统稳定性的讨论，导致自动控制理论随着生产的机械化及电气技术的发展而发展起来。二战期间，雷达及火控系统的迅速发展，控制论的创始人维纳发现了重要的自动控制概念——反馈，奠定了控制论的基础。1.4控制工程发展概况20世纪40~50年代，经典控制论发展时期。经典控制论的内容是以传递函数为基础，主要研究单输入、单输出控制系统的分析和设计问题，对线性定常系统，该方法是成熟有效的。20世纪60~70年代，现代控制论发展时期。现代控制论是把经典控制论中的高阶常微分方程转化为一阶微分方程组来描述系统的方法，即状态空间法，这种方法可以解决多输入、多输出问题，对非线性、时变系统也有效。1.4控制工程发展概况20世纪70年代末至今，大系统论和智能控制论发展时期。大系统论是用控制和信息的观点研究大系统的结构方案、总体设计中的分析方法和协调问题；智能控制论是研究和模拟人类活动的机理。课堂练习选择题1.接收放大环节送来的控制信号，驱动被控制对象按照预期的规律运行的元件称为【】。A.给定元件B.校正元件C.执行元件D.放大元件。2.用以稳定控制系统，提高控制性能的元件，称为【】。A.校正元件B.给定元件C.反馈元件D.比较元件3.从系统输出端测量的信号，通过变换后加到系统输入端，称为【】。A.输入信号B.反馈信号C.输出信号D.扰动信号课堂练习选择题开环系统与闭环系统最本质的区别是【】。A.开环系统的输出对系统无控制作用，闭环系统的输出对系统有控制作用。B.开环系统的输入对系统无控制作用，闭环系统的输入对系统有控制作用。C.开环系统不一定有反馈回路，闭环系统有反馈回路。D.开环系统不一定有反馈回路，闭环系统也不一定有反馈回路。课堂练习选择题下列系统属于闭环系统的是【】。A.简易数控机床B.普通洗衣机C.交通红绿灯D.工业机器人课堂练习填空题典型的闭环控制系统通常包括给定元件、、、放大元件、执行元件及校正元件等。用于产生给定信号或输入信号的元件，称为。控制系统的基本要求一般归纳为稳定性、和三个方面。按给定量的运动规律分，可将系统分为和程序控制系统和随动系统。